Способ получения пучка отрицательных поляризованных ионов водорода

 

Использование: в ускорительной технике . Сущность изобретения: в область с продольными магнитным и электрическим полями в вакууме инжектируются встречные пучки поляризованных атомов с тепловой энергией и нейтральных щелочных атомов. Образующиеся в области пересеченных пучков отрицательные поляризованные ионы направляются в ионно-оптическую систему, в которойускоряются до кэВ-ных энергий. Причем в области пересечения пучков щелочные атомы переводятся в возбужденное состояние лазерным излучением с частотой перехода атома из основного состояния в возбужденное . 1 ил. со с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 21 К 1/16

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ4ЕТЕЛЬСТВУ

О

О

О

,О 4

» (21) 4810517/25 (22) 06.04,90 (46) 23,01.93, Бюл. N 3 (71) Институт ядерных исследований АН

СССР (72) А. С, Белов и В, Е. Кузи к (56) W.Haeberli. Proc. Int. Workshop on

Polarized Sources and Targets. HPACAK, v.

59, N 4, 1986, р. 513.

W. Gruebler. Proc. Sixth Int. Symp. Polar.

Phenom. in Nucl, Phys. Osaka, 1985, J.Phys.

Soc. of Japan, v. 55 (1986), р, 435, W.ÍaåbårII Nuel, Instr. and Мей„ч. 62 (1968), р. 62. (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПУЧКА ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ПОЛЯРИЗОВАННЫХ ИОНОВ

ВОДОРОДА

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для получения пучков отрицательных ионов в источниках поляризованных частиц.

Отрицательные поляризованные ионы получают способом двойной перезарядки положительных ионов в отрицательные при прохождении пучка через газовую мишень.

Мишень находится в магнитном поле, которое препятствует деполяризации ионов, Аналогичный способ используют в лазерных источниках, где на газовой мишени перезаряжают в отрицательные ионы пучок поляризованных нейтральных атомов с энергией около 5 кэВ, Интечсивность пучков отрицательных ионов, получаемых данными способами, определяется эффективностью перезарядки, под которой понимают отношение потока. Ы«1790007 А1 (57) Использование: в ускорительной технике. Сущность изобретения: в область с продольными магнитным и электрическим полями в вакууме инжектируются встречные пучки поляризованных атомов с тепловой энергией и нейтральных щелочных атомов. Образующиеся в области пересеченных пучков отрицательные поляризованные ионы направляются в ионно-оптическую систему, в которой ускоряются до кэВ-ных энергий. Причем в области пересечения пучков щелочные атомы переводятся в возбужденное состояние лазерным излучением с частотой перехода атома из основного состояния в возбужденное. 1 ил, отрицательных ионов после перезарядной мишени к потоку частиц, инжектируемых в мишень.

Для получения поляризованных отрицательных ионов водорода чаще всего используют перезарядку пучка поляризованных протонов на натриевой мишени, Эффективность перезарядки для этого случая равна

5 — 10 %. Поэтому интенсивность пучков поляризованных отрицательных ионов водорода, получаемых данным способом, более чем на порядок меньше интенсивности пучков поляризованных протонов. Такое же соотношение имеется и в лазерных источниках поляризованных отрицательных ионов водорода.

В источниках классического типа с атомарным пучком для получения поляризованных отрицательных ионов водорода

1790007 (2) >g = !о Оо Т, (3) 50

55 используется способ встречных пучков, заключающийся в том, что в область с продольным магнитным полем инжектируются пучки поляризованных атомов водорода с тепловой энергией и нейтральных атомов цезия с энергией 50 кэВ (3), Этот способ принят за прототип предлагаемого изобретения.

В,данном способе поляризованные от рицательные ионы водорода получаются в результате реакции захвата атомом водорода связайногб электрона у атома цезия;

Н t+ Cs Н- + Cs .

Возникающие в результате реакции перезарядки поляризованные отрицательные ионы водорода ускоряются слабым электрическим полем, создаваемым в области столкновения пучков, по направлению к ионна-оптической системе, в которой они ускоряются до энергии порядка 10 кэВ и затем выводятся из источника. Сечение реакции (1) о равно 3 101 ñìÐ, Эффективность ионизации поляризованных атомов водорода в данном способе равна: где 1 — плотность потока атомов цезия в области столкновения пучков; г= LIV — время, в течение которого атом водорода находится в области столкновения пучков;

L — длина области столкновения пучков;

V — средняя скорость атомов водорода.

Поданным работы(3): jo-6 10 см с

1 -2 -1

oo = 3 10 с,м,,L=ЗОсм, V=10 см с "и из формулы (2) имеем: з = 5.10, то есть в отрицательные ионы в данном способе конвертируется лишь малая часть (0,5 Д) поляризованных атомов водорода. Интенсивность пучков, получаемых данным способом, равна 30 мкА и, несмотря на относительно низкую эффективность. ионизации, сравнима с интенсивностью источников, работающих на основе других вышерассмотренных способов, Это связано с тем, что в данном способе отрицательные поляризованные ионы генерируются непосредственно из интенсивного пучка тепловых поляризованных атомов водорода, Целью изобретения является повышение интенсивности пучка поляризованных отрицательных ионов водорода.

Способ заключается в том, что в область с продольным магнитным и электрическим полями в вакууме инжектируются встречные пучки поляризованных атомов водоро5

45 да с тепловой энергией и нейтральных щелочных атомов; образующиеся в области пересечения пучков поляризованные отрицательные ионы направляются к ионнооптической системе, в которой ускоряются до кэвных энергий, причем в области пересечения пучков щелочные атомы переводятся в возбужденное состояние излучением, длина волны которого выбирается исходя из того, чтобы потенциал ионизации возбужденного атома был близок по абсолютной величине к энергии сродства к электрону атома водорода (0,754 эВ), Изобретение иллюстрируется следующим примером, в котором в качестве донорного пучка щелочных атомов рассматривается пучок атомов цезия.

На чертеже показан способ получения отрицательных поляризованных ионов.

Область ионизации 1 находится в продольном магнитном поле, создаваемом соленоидом 2, В этой области катушкой 3 создается также электрические поле. В область ионизации инжектируется пучок поляризованных атомов водорода с тепловой энергией и, во встречном направлении, пучок атомов цезия. Коллинеарно с пучком атомов цезия распространяется лазерное излучение от перестраиваемого лазера, которым в атомах цезия индуцируются резонансные переходы, что приводит к появлению а в цезиевом пучке возбужденных атомов, В данном примере длина волны о равна 3876,1 А, Излучением такой длины волны в атомах цезия индуцируются переходы 631д8Рзд. Может быть использовано излучение другой длины волны, например, с о

Л = 3888,6 А, при этом будут индуцироваться переходы 631уг 8Р д, В области ионизации происходит образование поляризованных отрицательных ионов водорода путем реакций:

Н + Cs Н + Cs, Н + Cs *-Н + Cs, где Cso и Cs * — атомы цезия в основном и возбужденном состояниях соответственно, Образующиеся поляризованные отрицательные ионы водорода имеют низкую энергию (доли электронвольта) и удерживаются в радиальном направлении магнитным полем соленоида, В аксиальном направлении ионы ускоряются слабым электрическим полем, создаваемым катушкой 3, по направлению к ионно-оптической системе 4, где ионы ускоряются до энергии порядка 10 кэВ. Да1790007

g =rZ I;o), (4) лее пучок ускоренных отрицательных ионов поворачивается на угол 90 электростатическим зеркалом 5 и выводится из источника.

Эффективность ионизации поляризованных атомов водорода в данном способе и, следовательно, интенсивность пучка поляризованных отрицательных ионов водорода определяется по формуле; где — плотность потока атомов цезия, находящихся в i-ом возбужденном состоянии;

o — сечение захвата атомом водорода связанного электрона у атома цезия, который находится в i-ом возбужденном состоянии.

Даже если атомы цезия возбуждаются изучением в одно состояние, в пучке будут находиться атомы цезия в разных возбужденных состояниях из-за того, что атомы цезия будут испытывать спонтанные ступенчатые переходы из верхнего возбужденного состояния в основное. Если (Jl >Со (для! > 1), то 0р (Ziioioо) > Ipop, то есть в данном способе эффективность ионизации поляризованных атомов больше, чем в способе принятом за прототип, если сечение захвата связанного электрона поляризованным атомом у возбужденных щелочных атомов больше, чем сечение захвата электрона у щелочных атомов в основном состоянии. Сечение рассматриваемого процесса зависит от величины д F. = еи — Fc, где E<— энергия ионизации щелочного атома; я в энергия сродства к электрону поляризованного атома водорода, Для атома водорода я = 0,75 э В, энергия ионизации атома цезия в основном состояФормула изобретения

Способ получения пучка отрицательных поляризованных ионов водорода, заключающийся в инжектировании в область ионизации поляризованных атомов водорода с тепловой энергией и нейтральных атомов щелочного металла, направлении образующихся отрицательных поляризованных ионов водорода в ионно-оптическую систении равна 3,89 эВ, и величина д e = 3,14 эВ.

Для возбужденных состояний атомов цезия уменьшается энергия ионизации и величина д е. В частности для состояния SP>(z.

5 еи = 0,69 эВ и д е = 0,06 эВ.

Сечение захвата связанного электрона определяется приближенной формулой:

10 о =4,тге4 I (уг)/Д Р, (5) где е — заряд электрона; ! (к) — некоторая функция безразмерного параметра к.

И з формулы (5) следует, что сечение захвата увеличивается при уменьшении величины д я, поэтому, в частности, для возбужденных атомов цезия сечение процесса захвата связанного электрона больше, чем для атома цезия в основном состоянии. Следует отметить также, что атомы цезия имеют наименьший потенциал ионизации, чем обьясняется использование именно пучка атомов цезия в рассматриваемом способе встречных пучков.

Следовательно, эффективность ионизации атомов водорода в предлагаемом способе больше, чем в способе, принятом за прототип.

При этом для высоковозбужденных атомов цезия, в том числе и для атомов цезия в состоянии SP, реакция захвата связанного электрона атомом водорода становится экзотермичной, то есть она протекает с выделением энергии и является беспороговой, поэтому возбужденные атомы цезия могут иметь низкую энергию, в частности пучок возбужденных атомов может быть тепловым.

45 му и их ускорении в ней до энергий в диапазоне кэВ, отличающийся тем, что, с целью повышения интенсивности получаемого пучка, атомы щелочного металла переводят в возбужденное состояние

50 излучением, длина волны которого выбрана из условия близости потенциала ионизации возбужденного атома по абсолютной величине к энергии сродства атома водорода к электрону, 55

1(90007

3( о

ctj

<„)

Cq

<)

Составитель А.Белов

Редактор Т.Куркова Техред М.Моргентал Корректор Н.Милюкова

Заказ 351 Тираж Подписное

BÍÈÈÏÈ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101